DE3921650A1 - CAPACITIVE SENSOR AND ELECTRONIC CIRCUIT FOR CONTACTLESS DISTANCE MEASUREMENT - Google Patents
CAPACITIVE SENSOR AND ELECTRONIC CIRCUIT FOR CONTACTLESS DISTANCE MEASUREMENTInfo
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Description
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf berührungslose elektronische Abstandsmeßsysteme und die dafür verwendete elektronische Schaltung. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf einen neuartigen kapazitiven elektronischen Meßwandler für Spaltbreiten und auf eine neuartige Schaltung mit der Bezeichnung Doppel-T-Resonanzschaltung, die in Verbindung mit dem Meßwandler verwendet werden kann.This invention relates generally to non-contact electronic distance measuring systems and the electronic circuit used for this. In particular This invention relates to a novel one capacitive electronic transducers for gap widths and on a new circuit called Double-T resonance circuit, which in connection with the Transducer can be used.
Bisher bestand immer ein Mangel an brauchbaren und genauen Vorrichtungen zum Messen der Breite von Spalten oder Zwischenräumen ohne Berührung der Grenzflächen. Beispielsweise sind in der Meßtechnik seit langem die Schwierigkeiten bei der Messung des Abstandes von zwei Platten bekannt. Das einfache bekannte Verfahren, bei dem geeichte Fühlerblätter von gerade richtiger Dicke dazwischengeschoben werden, hat den Nachteil, daß die Berührung ungenau ist, daß die Messung zeitraubend ist und daß kein elektrisches Ausgangssignal erhalten wird. Die Überprüfung der Ausrichtung einer Autotür erfordert daher oft noch eine Schublehren-Messung von Tonklumpen, die in dem Spalt zusammengedrückt wurden.So far there has always been a lack of useful and accurate devices for measuring the width of columns or spaces without touching the interfaces. For example, in measurement technology have long been Difficulty in measuring the distance of two Known plates. The simple known method at the calibrated feeler blades of just the right thickness have the disadvantage that the Touch is inaccurate that the measurement is time consuming and that no electrical output signal is obtained. Checking the alignment of a car door requires therefore often a caliper measurement of lumps of clay, that were compressed in the gap.
Nach dem Stand der Technik sind elektronische Vorrichtungen bekannt, um solche berührungslosen Spaltbreitenmessungen auszuführen. Bei diesen bisherigen Meßsystemen werden oft elektromagnetische Induktionsphänomene ausgenutzt, um Abstandsänderungen zwischen einem Meßwandler und einem metallischen Gegenstand zu messen. Solche Meßsysteme können bei einer großen Vielfalt von Anwendungen eingesetzt werden, besonders, wenn es unmöglich oder unerwünscht ist, den Gegenstand, der den zu messenden Abstand bestimmt, physich zu berühren. Weitere Anwendungen sind Druckwandler, Beschleunigungsmesser, elektronische Mikrometer, Abmessungs- Komparatoren, Bohrlehren, Grenzlehren und Flüssigmetall- Niveaufühler.The state of the art is electronic Devices are known for such non-contact gap width measurements to execute. With these previous measuring systems often become electromagnetic induction phenomena exploited to change distances between a transducer and a metallic object measure up. Such measuring systems can with a wide variety of applications, especially when it is used is impossible or undesirable, the object that the distance to be measured determined to touch physically. Other applications are pressure transducers, accelerometers, electronic micrometer, dimensional Comparators, drilling gauges, limit gauges and liquid metal Level sensor.
Mit den bisherigen elektromagnetischen Induktionsmeßsystemen wurde nicht die für rasche und genaue Abstandsmessungen erforderliche Genauigkeit und Stabilität erreicht. Gewisse Begrenzungen haben die Entwicklung dieser dem Stand der Technik entsprechenden Systeme gehemmt, wie beispielsweise die Schwierigkeit, eine genügende Empfindlichkeit und Auflösung über den tatsächlichen Meßbereich des Systems zu erhalten. Diese Begrenzung ist darauf zurückzuführen, daß die dem Stand der Technik entsprechenden Systeme nicht zwischen den magnetischen Eigenschaften des Gegenstandes unterscheiden können und diese Eigenschaften nicht kompensieren können. Eine weitere Begrenzung ist der durch Temperaturänderungen verursachte Fehler. Temperaturänderungen bewirken Impedanzänderungen des Gegenstandes und der Bauelemente zur induktiven Abstandsmessung des Systems, und diese Impedanzänderungen äußern sich als Abstandsänderungen, obwohl solche Abstandsänderungen in Wirklichkeit nicht erfolgt sind. Ein weiteres Problem bei den dem Stand der Technik entsprechenden Systemen ist die Nichtlinearität.With the previous electromagnetic induction measuring systems wasn't the one for quick and accurate Distance measurements required accuracy and Stability achieved. They have certain limitations Development of this state of the art Systems inhibited, such as the difficulty sufficient sensitivity and resolution over the to obtain the actual measuring range of the system. These The limitation is due to the fact that the state systems corresponding to the technology do not exist between the distinguish magnetic properties of the object can and can not compensate for these properties. Another limitation is that caused by temperature changes caused errors. Temperature changes cause impedance changes of the object and the Components for inductive distance measurement of the system, and these changes in impedance are expressed as changes in distance, although such distance changes are in reality have not occurred. Another problem with that Systems corresponding to the state of the art are non-linearity.
Das US-Patent Nr. 41 60 204, das an den Bevollmächtigten des vorliegenden Patents abgetreten wurde und durch Verweisung in das vorliegende Patent eingeschlossen wird, bezieht sich auf ein verbessertes, berührungsloses Abstandsmeßsystem, das eine hohe Empfindlichkeit und Auflösung über den tatsächlichen Meßbereich des Systems aufweist, praktisch unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen ist, und einen nahezu linearen Zusammenhang zwischen dem gelieferten Ausgangssignal und dem zu messenden Abstand bietet. Das in dem Patent Nr. 41 60 204 angegebene Meßsystem umfaßt im allgemeinen eine Hochfrequenzsignal- Quelle, einen induktiven Meßwandler und eine Bezugsimpedanz (die beide in einem Signalphasen- Netzwerk liegen und mit der Quelle verbunden sind) sowie ein Mittel zum Vergleichen der Signale von Meßwandler und Bezugsimpedanz, wobei ein Ausgangssignal erhalten wird, das in Beziehung zu dem Abstand zwischen dem Meßwandler und dem Gegenstand steht. Parallel zu dem Meßwandler ist ein Bauelement, wie beispielsweise ein Kondensator, gelegt, um die Empfindlichkeit und die Auflösung des Systems zu erhöhen, um Fehler infolge von Temperaturänderungen des Meßwandlers und des gemessenen Gegenstandes wesentlich zu reduzieren oder völlig zu beseitigen und um einen nahezu linearen Zusammenhang zwischen dem gelieferten Ausgangssignal und dem gemessenen Abstand zu erhalten.U.S. Patent No. 4,160,204 issued to the assignee of this patent has been assigned and incorporated by reference into the present patent refers to an improved, non-contact Distance measuring system, which is high sensitivity and Resolution over the actual measuring range of the system exhibits, practically insensitive to temperature changes is, and an almost linear relationship between the delivered output signal and the to offers measuring distance. That in Patent No. 41 60 204 specified measuring system generally comprises a radio frequency signal Source, an inductive transducer and a reference impedance (both in a signal phase Network and are connected to the source) and a means for comparing the signals from transducers and Reference impedance, whereby an output signal is obtained, that in relation to the distance between the transducer and the object stands. Is parallel to the transducer a component, such as a capacitor, placed to the sensitivity and resolution of the System increase to errors due to temperature changes the transducer and the measured object significantly reduce or completely eliminate and for an almost linear relationship between the delivered output signal and the measured distance receive.
Das in dem Patent 41 60 204 angegebene Induktivitätssensor- Meßsystem ist zwar für den vorgesehenen Zweck gut geeignet, weist aber den Nachteil auf, daß die Messung von dem Material der Grenzflächen des Spaltes beeinflußt werden kann. Diese Empfindlichkeit gegenüber dem Material der Grenzflächen des Spaltes kann die Genauigkeit des Meßsystems nachteilig beeinflussen. Da das dem Stand der Technik entsprechende, in dem Patent 41 60 204 angegebene System auf einr induktiven Messung beruht, kann es nicht bei nichtmetallischen Grenzflächen (wie beispielsweise Grenzflächen aus Kunststoff) eingesetzt werden.The inductance sensor specified in patent 41 60 204 Measuring system is for the intended purpose well suited, but has the disadvantage that the Measurement of the material of the interfaces of the gap can be influenced. This sensitivity to the material of the interfaces of the gap Adversely affect the accuracy of the measuring system. There that corresponding to the state of the art in the patent 41 60 204 specified system for inductive measurement based, it cannot with non-metallic interfaces (such as plastic interfaces) will.
Die oben besprochenen und weitere Nachteile von dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen sind bei der berührungslosen Abstandsmeßvorrichtung der vorliegenden Erfindung beseitigt oder vermindert. Im Gegensatz zu dem induktiven Meßsystem gemäß dem Patent 41 60 204 wird bei der vorliegenden Erfindung die Kapazität ausgenutzt, um die Spaltbreite zu messen. Dies hat zur Folge, daß die gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Abstandsmessung unabhängig von den Materialien der Grenzflächen ist und daher zur Messung der Spaltbreite bei Nichtmetallen, wie beispielsweise Kunststoffen, benutzt werden kann.The above discussed and other disadvantages of state of the art devices in the non-contact distance measuring device present invention eliminated or reduced. in the Contrary to the inductive measuring system according to the patent 41 60 204 is in the present invention Capacity used to measure the gap width. This has the consequence that the according to the present invention proposed distance measurement regardless of the Materials of the interfaces is and therefore for measurement the gap width for non-metals, such as Plastics, can be used.
Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein neuartiger dünner, kapazitiver Meßwandler mit drei Anschlüssen, der in dem zu messenden Spalt angeordnet wird. Dieser Meßwandler besteht aus einer isolierten Einheit mit drei zueinander parallelen leitenden Ebenen, von denen die erste und die zweite Ebene je eine einzelne Elektrode und die dritte Ebene ein Elektrodenpaar aus zwei in einem gewissen Abstand voneinander angeordneten Elektroden aufweist. Jede Elektrode besteht vorzugsweise aus einer dünnen Kupferschicht, die auf ein isolierendes Substrat, beispielsweise aus einem Epoxy-Glas-Verbundstoff, aufgebracht ist. Zwischen jeder Elektrode des Elektrodenpaares in der dritten Ebene und der einzelnen Elektrode in der zweiten Ebene ist ein Luftspalt vorgesehen.An important feature of the present invention is a new type of thin, capacitive transducer with three connections, the one in the gap to be measured is arranged. This transducer consists of a isolated unit with three parallel ones senior levels, of which the first and the second Level a single electrode and the third level an electrode pair of two at a certain distance electrodes arranged from each other. Each Electrode preferably consists of a thin copper layer, on an insulating substrate, for example made of an epoxy glass composite. Between each electrode of the pair of electrodes in the third level and the single electrode in the second An air gap is provided on the level.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine neuartige elektronische Schaltung zur Verwendung in Verbindung mit dem neuartigen kapazitiven Meßwandler mit drei Anschlüssen. Diese Schaltung kann eine "künstliche Resonanz" erzeugen, bei der eine kleine Kapazität (wie beispielsweise der erfindungsgemäße kapazitive Sensor mit drei Anschlüssen) sich so verhält wie bei oder nahe bei der Serienresonanz mit einer künstlichen großen Induktivität. Dies wird durch Verwendung eines künstlichen Netzwerks (das eine Variante einer bekannten Doppel-T-Schaltung ist) in der Rückkopplungsschleife eines hochverstärkenden Verstärkers erreicht, wobei der normale Sperreinschnitt in eine resonanzähnliche Spitze umgekehrt wird, und zwar bei einer Frequenz, die sich aus der folgenden Gleichung ergibt:Another important feature of the present Invention is a novel electronic circuit for Use in connection with the new capacitive Three-port transducer. This circuit can create an "artificial resonance" in which a small Capacity (such as that of the invention capacitive sensor with three connections) behaves like this like at or near series resonance with a artificial large inductance. This is through use an artificial network (which is a variant a known double-T circuit) is in the feedback loop a high-gain amplifier reached, the normal lock cut into a resonance-like peak is reversed, namely at a frequency resulting from the following equation results in:
Dabei bedeutet:Here means:
C = Eingangsarm-Kapazität des ersten T-Zweiges
C₂ = Eingangsarm-Kapazität des zweiten T-Zweiges
C₃ = Ausgangsarm-Kapazität des zweiten T-Zweiges
L = Induktivität des mittleren Beines des zweiten
T-Zweiges C = input arm capacity of the first T branch
C ₂ = input arm capacity of the second T branch
C ₃ = output arm capacity of the second T branch
L = inductance of the middle leg of the second T branch
Die erfindungsgemäße neuartige Resonanzschaltung zur Erzeugung einer künstlichen Resonanz kann in Verbindung mit anderen als kapazitiven Meßvorrichtungen verwendet werden. Beispielsweise kann sie mit induktiven Sensoren von der in dem Patent 41 60 204 angegebenen Art verwendet werden.The novel resonance circuit according to the invention can be used to produce an artificial resonance with other than capacitive measuring devices be used. For example, with inductive Sensors of the type specified in patent 41 60 204 be used.
Die oben besprochenen und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich werden.The features discussed above and other features and Advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following detailed description and the Drawings can be seen.
Im folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Teile in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Kennziffern versehen sind:The following refers to the drawings taken in the same parts in the different Figures have the same reference numbers:
Fig. 1A und 1B sind Schemata, die das dielektrische Feld eines dem Stand der Technik entsprechenden bzw. eines der vorliegenden Erfindung entsprechenden, kapazitiven Meßwandlers wiedergeben; Fig. 1A and 1B are diagrams representing the dielectric field of the prior art and the present invention a corresponding capacitive transducer;
Fig. 2A ist eine perspektivische Ansicht des kapazitiven Meßwandlers der vorliegenden Erfindung; Fig. 2A is a perspective view of the capacitive transducer of the present invention;
Fig. 2B ist ein elektrisches Schaltbild des Meßwandlers der Fig. 2A; Figure 2B is an electrical schematic of the transducer of Figure 2A;
Fig. 3 ist ein weiteres elektrisches Schaltbild des Meßwandlers der Fig. 2A; Fig. 3 is another electrical circuit diagram of the transducer of Fig. 2A;
Fig. 4 ist ein Diagramm, in dem die Kapazität in Abhängigkeit von dem Abstand für den Meßwandler der Fig. 2A dargestellt ist; Figure 4 is a graph showing capacitance versus distance for the transducer of Figure 2A;
Fig. 5 ist ein elektrisches Schaltbild einer bekannten RLC-Schaltung; Fig. 5 is an electrical circuit diagram of a known RLC circuit;
Fig. 6 ist ein Diagramm, in dem die natürliche Serienresonanz für die RCL-Schaltung der Fig. 5 wiedergegeben ist; Fig. 6 is a diagram showing the natural series resonance for the RCL circuit of Fig. 5;
Fig. 7 ist ein elektrisches Schaltbild einer bekannten induktiven Doppel-T-Schaltung; Fig. 7 is an electrical circuit diagram of a known double T inductive circuit;
Fig. 8 ist ein elektrisches Schaltbild einer bekannten Doppel-T-Brückenschaltung; Fig. 8 is an electrical circuit diagram of a known double-T bridge circuit;
Fig. 9 ist ein elektrisches Schaltbild einer Doppel-T-Schaltung, die in der Rückkopplungsschleife eines hochverstärkenden Verstärkers angeordnet ist; Fig. 9 is an electrical schematic of a double T circuit arranged in the feedback loop of a high gain amplifier;
Fig. 10 ist ein elektrisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Resonanzschaltung zur Erzeugung einer künstlichen Resonanz; Fig. 10 is an electrical schematic of the resonant circuit according to the invention for producing an artificial resonance;
Fig. 11 ist ein Diagramm, in dem die künstliche Resonanz für die Schaltung der Fig. 10 dargestellt ist; Fig. 11 is a diagram showing the artificial resonance for the circuit of Fig. 10;
Fig. 12 ist ein elektrsiches Schaltbild des Netzwerks, aus dem das induktive Bein besteht; Fig. 12 is an electrical schematic of the network that makes up the inductive leg;
Fig. 13 ist ein Diagramm, in dem L päq und R päq in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt sind. Fig. 13 is a graph showing L päq and R päq as a function of temperature.
Kapazitive Sensoren sind bekannte Bauelemente, die auf die Änderung des dielektrischen Feldes zwischen Elektroden von verschiedenem Potential ansprechen. Bei den üblichen kapazitiven Sensoren gemäß dem Stand der Technik werden zwei parallele Platten verwendet, wie dies in der Fig. 1A bei 10 dargestellt ist. Entsprechend einem wichtigen Merkmal dieser Erfindung werden jedoch für den erfindungsgemäßen Sensor zwei Kondensatorplatten 12 und 14 verwendet, die in einem gewissen Abstand voneinander in derselben Ebene angeordnet sind und ein bogenförmiges elektrisches Feld 16 erzeugen. Es wurde festgestellt, daß bei Anordnung der Elektroden gemäß der Fig. 1B eine maximale Änderung des dielektrischen Feldes zwischen den Elektroden erhalten wird, wodurch genauere und zuverlässigere Messungen ermöglicht werden.Capacitive sensors are known components that respond to the change in the dielectric field between electrodes of different potential. In the conventional capacitive sensors according to the prior art, two parallel plates are used, as is shown at 10 in FIG. 1A. According to an important feature of this invention, however, two capacitor plates 12 and 14 are used for the sensor according to the invention, which are arranged at a certain distance from one another in the same plane and generate an arcuate electric field 16 . It has been found that when the electrodes are arranged according to FIG. 1B, a maximum change in the dielectric field between the electrodes is obtained, which enables more precise and reliable measurements.
Wir gehen jetzt zu den Fig. 2A und 2B über, in denen der neuartige kapazitive Sensor oder Meßwandler der vorliegenden Erfindung allgemein mit der Kennziffer 18 bezeichnet ist. Der Sensor 18 weist ein Elektrodenpaar aus zwei in einem gewissen Abstand voneinander angeordneten Elektroden 12 und 14 auf, die beide in derselben Ebene liegen. In einem gewissen Abstand unter den Elektroden 12, 14 ist in einer zu den besagten Elektroden parallelen Ebene eine Kopplungsplatte 20 angeordnet. Zwischen der Kopplungsplatte 20 und den Elektroden 12, 14 sind geeignete Abstandsstücke 22 aus einem isolierenden, dielektrischen Material, wie beispielsweise einem Epoxy-Glas-Verbundstoff, angeordnet, um Luftzwischenräume 24 und 26 sowie einen mittleren Kanal 28 zu definieren. Außerdem ist auf der bezüglich der Elektroden 12 und 14 entgegengesetzten Seite der Platte 20 eine Schicht 30 aus einem isolierenden, dielektrischen Material angebracht. Die Struktur aus den Elektroden 12, 14, der Kopplungsplatte 20 und den isolierenden Schichten 22 und 30 definiert eine Isolier/Kopplungs-Struktur, die auf einer ebenen Grundplatte 32 befestigt ist, die auf Nullpotential liegt. Es wird empfohlen, bei der Messung die Grundplatte 32 unter die Isolier/Kopplungs-Struktur zu legen, um einen Bezugspunkt für den physischen Kontakt mit einer Seite oder Grenzfläche des zu messenden Spaltes zu haben. Schließlich werden zwei Koaxialkabel 34 und 36 an die Grundplatte 32 und die Elektrode 12 bzw. an die Grundplatte 32 und die Elektrode 14 angeschlossen. Auf diese Weise wird ein kapazitives T-Netzwerk erhalten, das dem "Pi"-Netzwerk eines Kondensators mit drei Anschlüssen entspricht und für das die folgende Gleichung gilt:We now proceed to FIGS. 2A and 2B, in which the novel capacitive sensor or transducer of the present invention is generally designated by the reference number 18 . The sensor 18 has a pair of electrodes consisting of two electrodes 12 and 14 arranged at a certain distance from one another, both of which lie in the same plane. A coupling plate 20 is arranged at a certain distance below the electrodes 12, 14 in a plane parallel to the said electrodes. Suitable spacers 22 made of an insulating, dielectric material, such as an epoxy-glass composite, are arranged between the coupling plate 20 and the electrodes 12, 14 in order to define air spaces 24 and 26 and a central channel 28 . In addition, a layer 30 of an insulating, dielectric material is applied on the opposite side of the plate 20 with respect to the electrodes 12 and 14 . The structure of the electrodes 12, 14 , the coupling plate 20 and the insulating layers 22 and 30 defines an insulating / coupling structure which is attached to a flat base plate 32 which is at zero potential. It is recommended to place the base plate 32 under the isolation / coupling structure during the measurement in order to have a reference point for the physical contact with one side or interface of the gap to be measured. Finally, two coaxial cables 34 and 36 are connected to the base plate 32 and the electrode 12 or to the base plate 32 and the electrode 14 . In this way, a capacitive T network is obtained which corresponds to the "Pi" network of a capacitor with three connections and for which the following equation applies:
Die obige Gleichung (1) wird in der Fig. 3 veranschaulicht, in der ein äquivalentes elektrisches Schaltbild des Sensors der Fig. 2A und 2B wiedergegeben ist.The above equation (1) is illustrated in FIG. 3, in which an equivalent electrical circuit diagram of the sensor of FIGS. 2A and 2B is shown.
Der kapazitive Sensor von Fig. 2A, 2B und 3 weist verschiedene wesentliche Merkmale und Vorteile auf, die auf die neuartige Kopplungsstruktur aus der Kopplungsplatte 20 und den Elektroden 12 und 14 zurückzuführen sind. Beispielsweise kann in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung die Sensorgeometrie maßstäblich geändert werden, ohne daß sich die Sensorkapazität (C äq ) ändert. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das Verhältnis von C B zu C A von der relativen Position der Kopplungsplatte 20 zwischen den Elektroden 12, 14 und der Grundplatte 32 (sowie von der Art und den Abmessungen des gewählten Isoliermaterials) bestimmt wird.The capacitive sensor of FIGS. 2A, 2B and 3 has various essential features and advantages which can be attributed to the novel coupling structure consisting of the coupling plate 20 and the electrodes 12 and 14 . For example, in accordance with the present invention, the sensor geometry can be scaled without changing the sensor capacitance ( C eq ). This is because the ratio of C B to C A is determined by the relative position of the coupling plate 20 between the electrodes 12, 14 and the base plate 32 (as well as the type and dimensions of the insulating material selected).
Noch ein weiteres wichtiges Merkmal des kapazitiven Sensors dieser Erfindung ist, daß der Temperaturkoeffizient der Sensorkapazität (C äq ) Null gemacht werden kann, selbst wenn die Dielektrizitätskonstante des isolierenden Materials 22 einen positiven (oder negativen) Temperaturkoeffizienten hat. In Abhängigkeit von dem Verhältnis von C B zu C A können ihre relativen Temperaturkoeffizienten so eingestellt werden, daß C äq konstant bleibt. Dies wird am leichtesten erreicht durch Erniedrigung des Temperaturkoeffizienten von C A, wozu die Fläche des Luftspaltes 24, 26 in das richtige Verhältnis zu der Fläche des Isoliermaterials 22 gebracht wird.Yet another important feature of the capacitive sensor of this invention is that the temperature coefficient of the sensor capacitance ( C eq ) can be made zero even if the dielectric constant of the insulating material 22 has a positive (or negative) temperature coefficient. Depending on the ratio of C B to C A , their relative temperature coefficients can be set so that C eq remains constant. This is most easily achieved by lowering the temperature coefficient of C A , for which purpose the area of the air gap 24, 26 is brought into the correct ratio to the area of the insulating material 22 .
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Koaxialkabel 34 und 36 des Sensors an eine Kapazitätsbrücke mit drei Anschlüssen und einer bekannten Kapazität (wie beispielsweise der automatischen Kapazitätsbrücke Modell 2500, 1 kHz, die von Andeen-Hagerling in Chagrin Falls, Ohio, hergestellt wird) oder vorzugsweise an die nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 10 beschriebene, neuartige Schaltung zur Erzeugung einer künstlichen Resonanz angeschlossen. Beide Schaltungen erfassen in der Tat nicht die Parallelkapazitäten (und die Kabelkapazität) gegenüber Masse und messen nur den Wert von C äq.In a preferred embodiment of the present invention, the coaxial cables 34 and 36 of the sensor are connected to a three-port capacitance bridge with a known capacitance (such as the Model 2500, 1 kHz automatic capacitance bridge manufactured by Andeen-Hagerling of Chagrin Falls, Ohio ) or preferably connected to the novel circuit for generating an artificial resonance described below with reference to FIG. 10. Indeed, both circuits do not measure parallel capacitance (and cable capacitance) to ground and only measure the value of C eq .
Der Sensor 18 besteht vorzugsweise aus kupferbeschichtetem Epoxy-Glas-Printplattenmaterial, das so dimensioniert ist, daß C B gleich 15 pF und C A gleich 5 pF ist. Die Sensorkapazität C äq beträgt dann 1 pF. Wenn C A solche Abmessungen aufweist, daß das richtige Verhältnis von Luftspaltfläche zu Epoxyglasfläche erhalten wird, kann der hohe positive Temperaturkoeffizient von C B (Nenner) durch den niedrigeren Koeffizienten von C A so kompensiert werden, daß ein Verhältnis von Eins erhalten wird.The sensor 18 is preferably made of copper-coated epoxy glass printed circuit board material which is dimensioned such that C B is 15 pF and C A is 5 pF. The sensor capacitance C eq is then 1 pF. If C A has dimensions such that the correct air gap area to epoxy glass area ratio is obtained, the high positive temperature coefficient of C B (denominator) can be compensated for by the lower coefficient of C A so that a ratio of one is obtained.
Wir nehmen nun auf die Fig. 4 Bezug, in der die Kapazitätsänderung für den Sendor 18 bei Änderung des Abstandes gegenüber einer mit Masse verbundenen Metallplatte wiedergegeben ist. Es ist ersichtlich, daß die Sensorkapazität von 1 pF abnimmt, wenn die Metallplatte angenähert wird, wobei in der Tat das bogenförmige dielektrische Feld zwischen den Elektroden abgeschwächt wird (und beide C A's vermindert werden).We now refer to FIG. 4, in which the change in capacitance for the transmitter 18 is shown when the distance from a metal plate connected to ground is changed. It can be seen that the sensor capacitance of 1 pF decreases as the metal plate is approached, in fact the arcuate dielectric field between the electrodes is weakened (and both C A 's are reduced).
In der Fig. 2A ist zwar nur ein einzelnes Elektrodenpaar aus den koplanaren Elektroden 12 und 14 dargestellt, aber es ist offensichtlich, daß bei der vorliegenden Erfindung auch die Verwendung von mehreren koplanaren Elektrodenpaaren mit verschachtelter Struktur erwogen wird.In FIG. 2A, although only a single pair of electrodes of the coplanar electrodes 12 and 14, but it is obvious that in the present invention, the use is contemplated of a plurality of coplanar electrode pairs with interleaved structure.
Wir gehen nun zu den Fig. 5-13 über und beschreiben die neuartige Resonanzschaltung der vorliegenden Erfindung. Wie oben erwähnt wurde, ist diese neuartige Schaltung die bevorzugte elektronische Schaltung für den neuartigen kapazitiven Sender der Fig. 2A. Es ist jedoch offensichtlich, daß die erfindungsgemäße Resonanzschaltung zur Erzeugung einer künstlichen Resonanz auch bei einer Vielzahl von weiteren Anwendungen verwendet werden kann.We now proceed to Figures 5-13 and describe the novel resonant circuit of the present invention. As mentioned above, this novel circuit is the preferred electronic circuit for the novel capacitive transmitter of FIG. 2A. However, it is obvious that the resonance circuit according to the invention for generating an artificial resonance can also be used in a large number of other applications.
In Fig. 5 und 6 ist ein einfaches bekanntes RCL- Netzwerk wiedergegeben, das ein großes Entwicklungspotential für einen weiten Bereich von physikalischen Messungen bietet. Wenn eine physikalische Größe eine Änderung von einer oder mehreren dieser elektrischen Proportionalitätskonstanten hervorruft, bietet das Serienresonanz-Netzwerk äußerst interessante Wandlungsmöglichkeiten. Wenn L oder C die Variable ist, ist eine sehr empfindliche Änderung bei der Phase von E₀ nachweisbar (wobei die Empfindlichkeit von R bestimmt wird). Wenn R die Variable ist, ist die Amplitude von E₀ die nachweisbare Änderung. Es ist also möglich, über die drei elektrischen Grundparameter entweder eine Amplituden modulation oder eine Phasenmodulation hervorzurufen. Die Anwendungsgrenzen dieses relativ einfachen Netzwerks ergeben sich gewöhnlich daraus, daß es unmöglich ist, praktische Werte so miteinander zu kombinieren, daß die folgenden Resonanzgleichungen erfüllt werden:In Fig. 5 and 6, a simple known RCL is - network play, which offers a great potential for development for a wide range of physical measurements. If a physical quantity causes a change in one or more of these electrical proportionality constants, the series resonance network offers extremely interesting possibilities for conversion. If L or C is the variable, a very sensitive change in the phase of E ₀ is detectable (with the sensitivity of R being determined). If R is the variable, the amplitude of E ₀ is the detectable change. It is therefore possible to produce either an amplitude modulation or a phase modulation using the three basic electrical parameters. The limits of application of this relatively simple network usually result from the fact that it is impossible to combine practical values in such a way that the following resonance equations are satisfied:
Wenn L oder C infolge der Art der physikalischen Messung notwendigerweise klein ist, kann f einen zu großen, unpraktischen Wert annehmen oder, was häufiger vorkommt, kann R zu groß (oder thermisch zu instabil) werden, um eine stabile Empfindlichkeit zu erhalten.If L or C is necessarily small due to the nature of the physical measurement, f may become too large, impractical, or, more commonly, R may become too large (or thermally too unstable) to provide stable sensitivity.
Es ist daher in hohem Maße wünschenswert, ein Mittel zu finden, um die natürlichen Begrenzungen für die bei dem einfachen Netzwerk von Fig. 5 und 6 erforderlichen Bauelement-Werte zu überwinden. Ein erfolgreicher Weg ist, ein Netzwerk aufzubauen, dessen elektrisches Verhalten dem Verhalten eines Serienresonanzkreises entspricht, aber bei dem einfache, preiswerte Bauelemente verwendet werden, um die Eigenschaften zu erhalten, die mit einer wirklichen Induktionsspule und einem kleinen Kondensator nicht erhalten werden können. In der Meßtechnik- Literatur wurde in den vierziger Jahren ein Doppel-T-Netzwerk beschrieben, bei dem ein kleines induktives Bein verwendet wird und mit dem genau auf Null abgeglichen werden kann. Die mathematische Analyse zeigte, daß das Netzwerk bei Null einer sehr großen Induktionsspule mit parallel gelegtem, kleinem Kondensator entsprach. Die wirkliche kleine Parallelinduktivität hatte in der Tat das gleiche elektrische Verhalten wie eine mehrere hunderttausend Mal größere Induktivität. Bei Null verbleibt jedoch keine verwertbare Signalspannung für den Nachweis oder die weitere Verarbeitung. Wenn dieses Null-Netzwerk jedoch in die für die negative Rückkopplung bestimmte Schleife eines hochverstärkenden Verstärkers gelegt wird, kann das Nullsignal in eine Signalspitze umgekehrt werden (Beseitigung der negativen Rückkopplung). Es kann gezeigt werden, daß die Übertragungsfunktion dieser "signalselektiven" Schaltung der Übertragungsfunktion eines Netzwerks zur Erzeugung einer natürlichen Resonanz entspricht (das eine nicht realisierbare Induktivität erfordern würde).It is therefore highly desirable to find a means to overcome the natural limitations on the device values required in the simple network of Figures 5 and 6. A successful way is to build a network whose electrical behavior corresponds to the behavior of a series resonance circuit, but which uses simple, inexpensive components to obtain the properties that cannot be obtained with a real induction coil and a small capacitor. In the 1940s, a double-T network was described in the measurement technology literature, in which a small inductive leg was used and with which it was possible to calibrate exactly to zero. The mathematical analysis showed that the network at zero corresponded to a very large induction coil with a small capacitor placed in parallel. The real small parallel inductor did indeed have the same electrical behavior as an inductor that was several hundred thousand times larger. At zero, however, there is no usable signal voltage for detection or further processing. However, if this null network is placed in the loop of a high-gain amplifier intended for negative feedback, the null signal can be reversed into a signal peak (elimination of the negative feedback). It can be shown that the transfer function of this "signal selective" circuit corresponds to the transfer function of a network for generating a natural resonance (which would require an inductance which cannot be realized).
Übertragungsfunktion:Transfer function:
mit
Φ = Phasenwinkel zwischen den Spannungen
E₀ und E i
ω = 2π f
With
Φ = phase angle between the voltages E ₀ and E i
ω = 2 π f
Das herkömmliche induktive Doppel-T-Netzwerk (auch als unduktives Parallel-T-Netzwerk bekannt) wurde (wie in Fig. 7 dargestellt) mit zwei variablen Kondensatoren C₁ und C₀ verwirklicht, um eine Nullspannungs-Übertragung zu erhalten. Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, sind nach mathematischer Umwandlung der Parallel-T-Netzwerke in äquivalente "Pi"-Netzwerke die wesentlichen Eigenschaften für die Erzeugung einer künstlichen Resonanz deutlicher erkennbar.The conventional inductive double-T network (also known as an inductive parallel T network) was implemented (as shown in FIG. 7) with two variable capacitors C ₁ and C ₀ in order to obtain a zero-voltage transmission. As can be seen from FIG. 8, after mathematical conversion of the parallel T networks into equivalent “pi” networks, the essential properties for the generation of an artificial resonance can be seen more clearly.
Die äquivalente "Pi"-Tranformation ergibt:The equivalent "Pi" transformation gives:
Im abgeglichenen Zustand liegt das tatsächliche C parallel zu einer äquivalenten Resonanzinduktivität, die gleich L ist, multipliziert mit dem großen Verhältnis:In the balanced state, the actual C lies parallel to an equivalent resonance inductance, which is equal to L , multiplied by the large ratio:
Es ist jedoch erkennbar, daß verschiedene Merkmale dieses Doppel-T's angepaßt werden müssen, um einen praktischen Resonanzkreis für die Erzeugung einer künstlichen Resonanz zu erhalten. Zunächst muß die Nullspannung in eine Amplitudenspitze umgekehrt werden. Unter Bezugnahme auf die Fig. 9 wird darauf hingewiesen, daß dann, wenn ein Doppel-T-Netzwerk in die Rückkopplungsschleife eines hochverstärkenden Verstärkers gelegt wird, die Netzwerk-Übertragungsfunktion durch die Rückkopplungsgleichung umgekehrt wird. Da das Doppel-T normalerweise mit auf Null abgeglichenem Nullsignal betrieben wird, ist eine unendliche Resonanzspitze weder möglich noch wünschenswert. Damit das Doppel-T als Rückkopplungs-Netzwerk wirkt, wird das Nullsignal auf ungefähr -80 dB abgeschwächt und auf eine geringfügig niedrigere Frequenz als die gewünschte Resonanzfrequenz eingestellt. Da die Nullsignal-Gleichungen nur in dem echten abgeglichenen Zustand exakt gelten, werden sie bei der Resonanzschleife als Näherungen benutzt, wobei "Q" und der Resonanz-Phasenwinkel von -90° in der Praxis mit Hilfe von mindestens zwei einstellbaren Doppel-T-Bauelementen bestimmt werden. Die Übertragungsfunktion bei geschlossener Schleife für die Rückkopplungsgleichung der Fig. 9 ist:However, it can be seen that various features of this double T must be adapted in order to obtain a practical resonant circuit for the generation of an artificial resonance. First, the zero voltage must be reversed into an amplitude peak. Referring to Fig. 9, it is noted that when a double T network is placed in the feedback loop of a high gain amplifier, the network transfer function is reversed by the feedback equation. Since the double-T is normally operated with a zero signal adjusted to zero, an infinite resonance peak is neither possible nor desirable. In order for the Doppel-T to act as a feedback network, the zero signal is attenuated to approximately -80 dB and set to a frequency slightly lower than the desired resonance frequency. Since the zero signal equations only apply exactly in the real, balanced state, they are used as approximations in the resonance loop, with "Q" and the resonance phase angle of -90 ° in practice with the aid of at least two adjustable double-T components be determined. The closed loop transfer function for the feedback equation of Figure 9 is:
Zweitens muß das klassische Doppel-T geändert werden, um Stabilität gegenüber Schwingungen zu erhalten. Es ist erforderlich, nicht nur die Übertragungsfunktion so anzupassen, daß bei dem Nullsignal ein Phasenwinkel von +90° erhalten wird, sondern auch die Phasenvoreilung bei höheren Frequenzen unter +180° zu halten, um eine positive Rückkopplung zu vermeiden. (Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit einem kapazitiven Sensor von 1 Picofarad ist in Fig. 10 wiedergegeben.) Beachten Sie, daß R s (5 Ohm) und R p (35 Ohm) vorgesehen wurden, um das Q der Induktionsspule L und ihren Spulenwiderstand R i zu vermindern. Andernfalls würden C₂ und L bei 360 kHz einen Serienresonanzkreis mit hohem Q bilden, was einen übermäßig großen, positiven Phasenwinkel und eventuelle Störschwingungen zur Folge hat. Die gesamte Schleifenverstärkung ist eine Funktion aller Widerstände (R₂/R₁, R₄/R₃, R p, R s, R i, R ) und von C₁. Eine einfache Einstellung von Q bei der Resonanz kann daher über das Potentiometer R erfolgen. Die Resonanzfrequenz ist in erster Linie eine Funktion von C, L, C₂ und C₃ (bei einer gewissen Wechselwirkung mit den verstärkungsbestimmenden Variablen). R p und R s haben auch eine wichtige Funktion bei der Temperaturkompensation des Spulenwiderstandes R i. Die Fig. 12 zeigt das Netzwerk mit dem induktiven Bein und das äquivalente L päq und R päq. Die Fig. 13 ist ein Diagramm, in dem das Verhalten von L päq und R päq bei einer Temperaturänderung von R i dargestellt ist. Da L päq eine Variable der Resonanzfrequenz ist, kann ihr Wert und ihre Änderungsgeschwindigkeit durch das Verhältnis des temperaturstabilen R s zu R i kontrolliert werden. Außerdem wird R p so ausgewählt, daß die Änderungsgeschwindigkeit von R päq die Schleifenverstärkung genügend anpaßt, um die Resonanzfrequenz bei Temperaturänderungen konstant zu halten.Second, the classic double T needs to be changed to maintain stability against vibrations. It is necessary not just the transfer function to adjust so that a phase angle at the zero signal of + 90 ° is obtained, but also the phase lead at higher frequencies under + 180 ° to keep a to avoid positive feedback. (A preferred one Exemplary embodiment with a capacitive sensor from FIG. 1 Picofarad is inFig. 10 reproduced.) Note thatR s (5 ohms) andR p (35 ohms) were provided to the Q the induction coilL and their coil resistanceR i to Reduce. Otherwise, wouldC.₂ andL at 360 kHz one Series resonance circuit with highQ form what a excessively large, positive phase angle and possible Interfering vibrations. The entire loop gain is a function of all resistances (R₂ /R₁, R₄ /R₃,R p,R s,R i,R ) and fromC.₁. A simple setting fromQ at the resonance can therefore over the PotentiometerR respectively. The resonance frequency is in primarily a function ofC, L, C₂ andC.₃ (at a certain interaction with the gain determining Variables).R p andR s also have an important function for temperature compensation of the coil resistanceR i. TheFig. 12 shows the network with the inductive leg and the equivalentL päq andR päq. TheFig. 13 is a Diagram in which the behavior ofL päq andR päq at a change in temperature ofR i is shown. ThereL päq is a variable of the resonance frequency, its value and their rate of change through the ratio of temperature stableR s toR i to be controlled. Furthermore becomesR p selected so that the rate of change fromR päq the loop gain adapts enough to the Resonance frequency with temperature changes constantly hold.
Das Beispiel von Fig. 10 und 11 zeigt, daß ein Sensor mit 1 Picofarad (wie beispielsweise der in der Fig. 2A wiedergegebene Sensor) die äquivalente Übertragungsfunktion einer 30 kHz-Serienresonanz mit einer künstlichen Induktivität von 27,9 H (oder der 600 000fachen tatsächlichen Induktivität) hat. In diesem Falle hat der Sensor eine Kapazitätsänderung von 0,1 (10%) über seinen Verschiebungsbereich (was eine Phasenwinkeländerung von 10° ergibt).The example of FIGS. 10 and 11 shows that a 1 picofarad sensor (such as the sensor shown in FIG. 2A) has the equivalent transfer function of a 30 kHz series resonance with an artificial inductance of 27.9 H (or 600,000 times) actual inductance). In this case the sensor has a capacitance change of 0.1 (10%) over its range of displacement (which results in a phase angle change of 10 °).
Bei dem in Fig. 10 und 11 wiedergegebenen Beispiel gilt: In the example shown in FIGS. 10 and 11:
Obwohl gezeigt wurde, daß der erfindungsgemäße Resonanzkreis zur Erzeugung einer künstlichen Resonanz sehr empfindlich gegenüber kleinen Kapazitätsänderungen sein kann, sollte angemerkt werden, daß eine ähnliche Konfiguration bei induktiven Sensoren (Wirbelstrom- Sensoren) von Vorteil ist. Bei Verwendung eines induktiven Sensors als L-Bein des Doppel-T's ist die äquivalente Serieninduktivität gewöhnlich eine Million Mal so groß wie L, wodurch diese Konfiguration als Resonanz-Netzwerk bei einer weit niedrigeren Frequenz wirksam ist, als normalerweise mit so kleinen C- und L-Werten möglich wäre. Bei Verwendung eines Varactors für C₃ und eines Phasendetektors kann das Doppel-T außerdem bei Resonanz phasenverriegelt (oder zum Abgleich gezwungen) werden, wodurch eine Kontrollschleifen- Ausgangsspannung erhalten wird, mit den Vorteilen, die ein System mit einer geschlossenen Schleife gegenüber einem Meßwandler mit einer offenen Schleife hat.Although it has been shown that the resonance circuit according to the invention for generating an artificial resonance can be very sensitive to small changes in capacitance, it should be noted that a similar configuration is advantageous for inductive sensors (eddy current sensors). When using an inductive sensor as the L- leg of the double-T, the equivalent series inductance is usually one million times as large as L , which makes this configuration operate as a resonant network at a frequency much lower than that normally used with such small C - and L Values would be possible. Using a varactor for C ₃ and a phase detector, the double-T can also be phase locked (or forced to match) at resonance, thereby obtaining a control loop output voltage, with the advantages that a closed loop system has over a transducer has an open loop.
Claims (27)
mindestens einem Elektrodenpaar aus ersten Elektroden, die einen gewissen Abstand voneinander haben und in einer ersten Ebene koplanar angeordnet sind;
einer Kopplungsplatte, die in einem gewissen Abstand von dem besagten Elektrodenpaar in einer zweiten Ebene angeordnet ist, wobei die besagte zweite Ebene parallel zu der besagten ersten Ebene ist;
einer Grundplatte, die in einem gewissen Abstand von der besagten Kopplungsplatte in einer dritten Ebene angeordnet ist, wobei die besagte dritte Ebene parallel zu der besagten ersten und zweiten Ebene ist, und die besagte zweite Ebene zwischen der besagten ersten und dritten Ebene angeordnet ist;
einem ersten dieleketrischen Material, das zwischen den besagten ersten Elektroden und der besagten Kopplungsplatte angeordnet ist;
einem zweiten dielektrischen Material, das zwischen der besagten Kopplungsplatte und der besagten Grundplatte angeordnet ist;
einem ersten Spalt zwischen einer der besagten ersten Elektroden und der besagten Kopplungsplatte und
einem zweiten Spalt zwischen der anderen der besagten ersten Elektroden und der besagten Kopplungsplatte.1. Capacitive sensor, characterized in that it consists of
at least one pair of electrodes made of first electrodes which are at a certain distance from one another and are arranged coplanar in a first plane;
a coupling plate located at a certain distance from said pair of electrodes in a second plane, said second plane being parallel to said first plane;
a base plate spaced from a third plane from said coupling plate, said third plane being parallel to said first and second planes, and said second plane being arranged between said first and third planes;
a first dielectric material disposed between said first electrodes and said coupling plate;
a second dielectric material disposed between said coupling plate and said base plate;
a first gap between one of said first electrodes and said coupling plate and
a second gap between the other of said first electrodes and said coupling plate.
das besagte erste dielektrische Material ein erstes und ein zweites Paar aus einzelnen Elementen aufweist, wobei jede Elektrode des besagten ersten Elektrodenpaares an einem Paar der besagten Elemente anliegt;
der besagte erste Spalt zwischen dem besagten ersten Elementpaar angeordnet ist und
der besagte zweite Spalt zwischen dem besagten zweiten Elementpaar angeordnet ist.2. Sensor according to claim 1, characterized in that
said first dielectric material includes first and second pairs of individual elements, each electrode of said first pair of electrodes abutting a pair of said elements;
said first gap is located between said first pair of elements and
said second gap is located between said second pair of elements.
ein erstes Koaxialkabel, das an eine der besagten ersten Elektroden und an die besagte Grundplatte angeschlossen ist;
ein zweites Koaxialkabel, das an die andere der besagten ersten Elektroden und an die besagte Grundplatte angeschlossen ist.10. Sensor according to claim 1, characterized in that it comprises
a first coaxial cable connected to one of said first electrodes and to said base plate;
a second coaxial cable connected to the other one of said first electrodes and said base plate.
einem induktiven Parallel-T-Netzwerk und
einem hochverstärkenden Verstärker, wobei das besagte induktive Paralle-T-Netzwerk mit der Rückkopplungsschleife des besagten hochverstärkenden Verstärkers elektrisch verbunden ist, um den Sperreinschnitt des besagten induktiven Parallel-T-Netzwerks in eine Resonanzspitze umzukehren, die bei einer vorgegebenen Frequenz auftritt.12. Electronic circuit for generating an artificial resonance, characterized in that it consists of
an inductive parallel T network and
a high gain amplifier, said parallel parallel T network being electrically connected to the feedback loop of said high gain amplifier to reverse the cutout of said parallel parallel T network into a resonance peak occurring at a predetermined frequency.
einem ersten T-Zweig mit einem ersten Eingangsarm, einem ersten Ausgangsarm und einem ersten mittleren Bein zwischen dem besagten ersten Eingangsarm und dem besagten ersten Ausgangsarm, wobei es eine erste Eingangskapazität C in dem besagten ersten Eingangsarm, einen ersten Ausgangswiderstand R in dem besagten ersten Ausgangsarm und eine erste an Masse liegende variable Kapazität C₁ in dem besagten mittleren Bein aufweist;
einem zweiten T-Zweig mit einem zweiten Eingangsarm, einem zweiten Ausgangsarm und einem zweiten mittleren Bein zwischen dem besagten zweiten Eingangsarm und dem besagten zweiten Ausgangsarm, wobei es eine zweite Eingangskapazität C₂ in dem besagten zweiten Eingangsarm, eine zweite Ausgangskapazität C₃ in dem besagten zweiten Ausgangsarm und eine Induktivität L in dem besagten mittleren Bein aufweist; und
einer Schleife aus einem Widerstand R p, der mit einer variablen Kapazität C₀ elektrisch verbunden ist, wobei die besagte Schleife zwischen der Kapazität C₂ des zweiten Eingangsarms und der Kapazität C₃ des zweiten Ausgangsarms elektrisch angeschlossen ist.14. Circuit according to claim 12, characterized in that said inductive parallel T network consists of
a first T-branch having a first input arm, a first output arm and a first middle leg between said first input arm and said first output arm, having a first input capacitance C in said first input arm, a first output resistance R in said first output arm and has a first mass variable capacitance C ₁ in said middle leg;
a second T-arm with a second input arm, a second output arm and a second middle leg between said second input arm and said second output arm, there being a second input capacitance C ₂ in said second input arm, a second output capacitance C ₃ in said second output arm and an inductance L in said middle leg; and
a loop of a resistor R p , which is electrically connected to a variable capacitance C ₀, said loop being electrically connected between the capacitance C ₂ of the second input arm and the capacitance C ₃ of the second output arm.
einem ersten T-Zweig mit einem ersten Eingangsarm, einem ersten Ausgangsarm und einem ersten mittleren Bein zwischen dem besagten ersten Eingangsarm und dem besagten ersten Ausgangsarm, wobei es eine erste variable Eingangskapazität C in dem besagten ersten Eingangsarm, einen ersten variablen Ausgangswiderstand R in dem besagten ersten Ausgangsarm und eine erste Kapazität C₁ in dem besagten mittleren Bein aufweist;
einem zweiten T-Zweig mit einem zweiten Eingangsarm, einem zweiten Ausgangsarm und einem zweiten mittleren Bein zwischen dem besagten zweiten Eingangsarm und dem besagten zweiten Ausgangsarm, wobei es eine zweite Eingangskapazität C₂ in dem besagtem zweiten Eingangsarm, eine zweite Ausgangskapazität C₃ in dem besagten zweiten Ausgangsarm und eine zu einem Widerstand R i und einem Widerstand R s in Serie geschaltete Induktivität L aufweist, und die besagte Induktivität L, der besagte Widerstand R i und der besagte Widerstand R s in dem besagten mittleren Bein liegen;
einem Widerstand R p, der zwischen dem besagten zweiten Eingangsarm und dem besagten Widerstand R s des zweiten mittleren Beines elektrisch angeschlossen ist.19. A circuit according to claim 12, characterized in that said inductive parallel T network consists of
a first T-branch having a first input arm, a first output arm and a first middle leg between said first input arm and said first output arm, having a first variable input capacitance C in said first input arm, a first variable output resistance R in said has a first output arm and a first capacitance C ₁ in said middle leg;
a second T-branch with a second input arm, a second output arm and a second middle leg between said second input arm and said second output arm, there being a second input capacitance C ₂ in said second input arm, a second output capacitance C ₃ in said second output arm and an inductor L connected in series to a resistor R i and a resistor R s , and said inductor L , said resistor R i and said resistor R s are in said middle leg;
a resistor R p electrically connected between said second input arm and said second middle leg resistor R s .
mindestens einem Elektrodenpaar aus ersten Elektroden, die einen gewissen Abstand voneinander haben und in einer ersten Ebene koplanar angeordnet sind;
einer Kopplungsplatte, die in einem gewissen Abstand von dem besagten Elektrodenpaar in einer zweiten Ebene angeordnet ist, wobei die besagte zweite Ebene parallel zu der besagten ersten Ebene ist;
einer Grundplatte, die in einem gewissen Abstand von der besagten Kopplungsplatte in einer dritten Ebene angeordnet ist, wobei die besagte dritte Ebene parallel zu der besagten ersten und zweiten Ebene ist, und die besagte zweite Ebene zwischen der besagten ersten und dritten Ebene angeordnet ist;
einem ersten dielektrischen Material, das zwischen den besagten ersten Elektroden und der besagten Kopplungsplatte angeordnet ist;
einem zweiten dielektrischen Material, das zwischen der besagten Kopplungsplatte und der besagten Grundplatte angeordnet ist;
einem ersten Spalt zwischen einer der besagten ersten Elektroden und der besagten Kopplungsplatte und
einem zweiten Spalt zwischen der anderen der besagten ersten Elektroden und der besagten Kopplungsplatte.24. Circuit according to claim 23, characterized in that the capacitive sensor consists of
at least one pair of electrodes made of first electrodes which are at a certain distance from one another and are arranged coplanar in a first plane;
a coupling plate located at a certain distance from said pair of electrodes in a second plane, said second plane being parallel to said first plane;
a base plate spaced from a third plane from said coupling plate, said third plane being parallel to said first and second planes, and said second plane being arranged between said first and third planes;
a first dielectric material disposed between said first electrodes and said coupling plate;
a second dielectric material disposed between said coupling plate and said base plate;
a first gap between one of said first electrodes and said coupling plate and
a second gap between the other of said first electrodes and said coupling plate.
das besagte erste dielektrische Material ein erstes und ein zweites Paar aus einzelnen Elementen aufweist, wobei jede der besagten ersten Elektroden an einem Paar der besagten Elemente anliegt;
der besagte erste Spalt zwischen dem besagten ersten Elementpaar angeordnet ist und
der besagte zweite Spalt zwischen dem besagten zweiten Elementpaar angeordnet ist.25. Sensor according to claim 24, characterized in that
said first dielectric material comprises first and second pairs of individual elements, each of said first electrodes abutting a pair of said elements;
said first gap is located between said first pair of elements and
said second gap is located between said second pair of elements.
ein erstes Koaxialkabel, das an eine der besagten ersten Elektroden und an die besagte Grundplatte angeschlossen ist;
ein zweites Koaxialkabel, das an die andere der besagten ersten Elektroden und an die besagte Grundplatte angeschlossen ist.27. Sensor according to claim 24, characterized in that the
a first coaxial cable connected to one of said first electrodes and to said base plate;
a second coaxial cable connected to the other one of said first electrodes and said base plate.
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| US5036901A (en) * | 1990-06-22 | 1991-08-06 | Armco Inc. | Electronic gap sensor and method |
| US5189376A (en) * | 1990-12-17 | 1993-02-23 | Massachusetts Institute Of Technology | Method for the measurment of capacitance, with application to linear measurement of distance |
| US5315259A (en) * | 1992-05-26 | 1994-05-24 | Universities Research Association, Inc. | Omnidirectional capacitive probe for gauge of having a sensing tip formed as a substantially complete sphere |
| US5345821A (en) * | 1993-01-15 | 1994-09-13 | A.I.R., Inc. | Relative humidity sensing apparatus |
| US5386196A (en) * | 1993-08-23 | 1995-01-31 | Denmar, Inc. | System and method for accurate contactless measurement of the resistivity of a test material |
| US5457395A (en) * | 1994-07-18 | 1995-10-10 | Ford Motor Company | System and apparatus for measuring gaps between non-parallel surfaces |
| US5928475A (en) * | 1996-12-13 | 1999-07-27 | Honeywell-Measurex, Corporation | High resolution system and method for measurement of traveling web |
| US6087837A (en) * | 1996-12-13 | 2000-07-11 | Honeywell-Measurex | Compact high resolution under wire water weight sensor array |
| US6072309A (en) * | 1996-12-13 | 2000-06-06 | Honeywell-Measurex Corporation, Inc. | Paper stock zeta potential measurement and control |
| US5891306A (en) * | 1996-12-13 | 1999-04-06 | Measurex Corporation | Electromagnetic field perturbation sensor and methods for measuring water content in sheetmaking systems |
| US6341522B1 (en) | 1996-12-13 | 2002-01-29 | Measurex Corporation | Water weight sensor array imbedded in a sheetmaking machine roll |
| US5853543A (en) * | 1997-01-27 | 1998-12-29 | Honeywell-Measurex Corporation | Method for monitoring and controlling water content in paper stock in a paper making machine |
| US6483931B2 (en) * | 1997-09-11 | 2002-11-19 | Stmicroelectronics, Inc. | Electrostatic discharge protection of a capacitve type fingerprint sensing array |
| DE19742055C2 (en) * | 1997-09-24 | 2000-02-24 | Ita Ingb Testaufgaben Gmbh | Device for testing circuit boards |
| KR100744103B1 (en) * | 1997-12-30 | 2007-12-20 | 주식회사 하이닉스반도체 | Low Decoder for Flash Memory Devices |
| US5944955A (en) * | 1998-01-15 | 1999-08-31 | Honeywell-Measurex Corporation | Fast basis weight control for papermaking machine |
| US6076022A (en) * | 1998-01-26 | 2000-06-13 | Honeywell-Measurex Corporation | Paper stock shear and formation control |
| US6092003A (en) * | 1998-01-26 | 2000-07-18 | Honeywell-Measurex Corporation | Paper stock shear and formation control |
| US6080278A (en) * | 1998-01-27 | 2000-06-27 | Honeywell-Measurex Corporation | Fast CD and MD control in a sheetmaking machine |
| US6149770A (en) * | 1998-04-14 | 2000-11-21 | Honeywell-Measurex Corporation | Underwire water weight turbulence sensor |
| US6168687B1 (en) | 1998-04-24 | 2001-01-02 | Honeywell-Measurex Corporation | System and method for sheet measurement and control in papermaking machine |
| US6006602A (en) * | 1998-04-30 | 1999-12-28 | Honeywell-Measurex Corporation | Weight measurement and measurement standardization sensor |
| US6086716A (en) * | 1998-05-11 | 2000-07-11 | Honeywell-Measurex Corporation | Wet end control for papermaking machine |
| FR2780777B1 (en) * | 1998-07-02 | 2000-10-06 | Canon Kk | DEVICE FOR MEASURING MOVEMENT OR LONGITUDINAL OR ANGULAR POSITION BY CAPACITIVE EFFECT |
| US6105422A (en) * | 1998-07-13 | 2000-08-22 | Pollock; Paul | Brake tester and method of using same |
| US6368039B2 (en) | 1999-09-01 | 2002-04-09 | Shop Vac Corporation | Dual function retainer clip |
| US6463395B1 (en) * | 1999-12-10 | 2002-10-08 | Teradyne, Inc. | Shunt capacitance compensation structure and method for a signal channel |
| US20050187482A1 (en) * | 2003-09-16 | 2005-08-25 | O'brien David | Implantable wireless sensor |
| US8026729B2 (en) | 2003-09-16 | 2011-09-27 | Cardiomems, Inc. | System and apparatus for in-vivo assessment of relative position of an implant |
| US7662653B2 (en) | 2005-02-10 | 2010-02-16 | Cardiomems, Inc. | Method of manufacturing a hermetic chamber with electrical feedthroughs |
| US7647836B2 (en) * | 2005-02-10 | 2010-01-19 | Cardiomems, Inc. | Hermetic chamber with electrical feedthroughs |
| US7621036B2 (en) * | 2005-06-21 | 2009-11-24 | Cardiomems, Inc. | Method of manufacturing implantable wireless sensor for in vivo pressure measurement |
| WO2007002185A2 (en) * | 2005-06-21 | 2007-01-04 | Cardiomems, Inc. | Method of manufacturing implantable wireless sensor for in vivo pressure measurement |
| US20070199385A1 (en) * | 2005-11-18 | 2007-08-30 | Cardiomems, Inc. | Capacitor electrode formed on surface of integrated circuit chip |
| JP4828316B2 (en) | 2006-06-13 | 2011-11-30 | 三菱電機株式会社 | GAP DETECTING DEVICE, LASER PROCESSING SYSTEM, AND GAP DETECTING METHOD FOR LASER MACHINE |
| US8344741B2 (en) * | 2008-10-16 | 2013-01-01 | General Electric Company | Systems, methods, and apparatus for monitoring clearance in a rotary machine |
| DE102011081666A1 (en) * | 2011-08-26 | 2013-02-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Contactless capacitive distance sensor |
| RU2558641C1 (en) * | 2014-04-23 | 2015-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет леса" (ФГБОУ ВПО "МГУЛ") | Air gap sensor |
| GB2579671B (en) * | 2018-12-12 | 2022-12-14 | Weston Aerospace Ltd | A probe for monitoring a moving engine element |
| US11801946B2 (en) * | 2019-04-25 | 2023-10-31 | The Boeing Company | System for sensing miniature gaps by inductive coupling |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1176383B (en) * | 1958-12-16 | 1964-08-20 | Standard Elektrik Lorenz Ag | Device for measuring and / or displaying mechanical measurands by means of an electrical capacitor |
| US3896697A (en) * | 1973-10-17 | 1975-07-29 | Gary L Iannone | Device for testing the tune of musical instruments |
| US4160204A (en) * | 1974-11-11 | 1979-07-03 | Kaman Sciences Corporation | Non-contact distance measurement system |
| US4203087A (en) * | 1977-01-31 | 1980-05-13 | Panametrics, Inc. | Absolute humidity sensors and methods of manufacturing humidity sensors |
| US4439725A (en) * | 1978-10-20 | 1984-03-27 | Ogasawara Hiromi | Microdisplacement detector |
| FR2454083A1 (en) * | 1979-04-09 | 1980-11-07 | Facom | DEVICE FOR MEASURING THE RELATIVE POSITION OF TWO OBJECTS |
| GB2131176B (en) * | 1982-10-07 | 1986-02-19 | Rolls Royce | Method of manufacturing a capacitance distance measuring probe |
| DE3401140C1 (en) * | 1984-01-14 | 1985-08-29 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 8000 München | Device for continuous measurement of thickness |
| US4771247A (en) * | 1987-09-24 | 1988-09-13 | General Electric Company | MMIC (monolithic microwave integrated circuit) low noise amplifier |
-
1988
- 1988-08-25 US US07/236,598 patent/US4924172A/en not_active Expired - Fee Related
-
1989
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| US4924172A (en) | 1990-05-08 |
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